DE10035724C2 - Kraftstoffinjektor für eine Brennkraftmaschine - Google Patents
Kraftstoffinjektor für eine BrennkraftmaschineInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von unter hohem Druck
vorgehaltenem Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine während eines
Einspritzvorgangs, wie er im Oberbegriff des Anspruchs 1 vorausgesetzt ist.
Ein solcher bekannter Kraftstoffinjektor umfasst ein Injektorgehäuse, eine am vorderen
Ende des Injektorgehäuses angeordnete Einspritzdüse zum Einspritzen des Kraftstoffs in
den Brennraum der Brennkraftmaschine, eine Düsennadel, die in dem Injektorgehäuse
längsverschieblich gelagert ist und zusammen mit einem Ventilsitz ein der Einspritzdüse
zugeordnetes Einspritzventil zum Öffnen und Schließen eines Ventilöffnungsquerschnitts
bildet, einen Hochdruckkanal zur Zuführung von unter hohem Druck stehendem
einzuspritzenden Kraftstoff von einem Hochdruckanschluss zu einem an dem
Einspritzventil angeordneten Düsenvorraum und ein Steuerventil zum Freigeben des
Einspritzvorgangs während Einspritzintervallen und zum Unterbrechen des
Einspritzvorgangs während Einspritzpausen.
Bei den in der DE 197 32 070 A1 und der DE 197 06 469 A1 beschriebenen
Kraftstoffinjektoren dient ein durch Druckbeaufschlagung seiner Stirnflächen in zwei
Stellungen verschiebbarer Steuerkolben zum Öffnen und Schließen eines Durchgangs, der
einerseits über eine Zulaufleitung mit einem Hochdruckspeicher verbunden ist und
andererseits über einen Kanal im Injektor mit der Einspritzdüse. Die Betätigung des
Einspritzventils erfolgt mittels eines Steuerventils, das eine Abflussdrossel und damit den
Druck in einem an eine Stirnfläche des Steuerkolbens angrenzenden Steuerraum steuert.
Zur Einleitung der Einspritzung wird der Druck im Steuerraum abgesenkt. Da an der
gegenüberliegenden kleineren Stirnfläche des Steuerkolbens ebenfalls der im
Hochdruckspeicher herrschende Kraftstoffdruck anliegt, wird eine Längsverschiebung des
Steuerkolbens eingeleitet, wobei der Steuerkolben von einem Ventilsitz abhebt, und den
Durchgang zwischen der Zulaufbohrung und dem zur Einspritzdüse führenden Kanal
freigibt. Die Einspritzung wird abgebrochen, wenn das Steuerventil die Abflussdrossel
verschließt und dadurch der Druck an der angrenzenden größeren Stirnfläche des
Steuerkolbens wieder ansteigt. In den Einspritzpausen wird der stromabwärts vom
Steuerkolben gelegene Kanal des Einspritzventils durch eine Leitungsverbindung mit einer
Rücklaufleitung druckentlastet. Der Steuerkolben ist im Bereich des Ventilsitzes unter
Bildung einer kegelförmigen Sitzfläche mit einer Durchmesservergrößerung ausgebildet,
auf die der Kraftstoffdruck wirkt, was sich beim Öffnen des Ventils mit einer Erhöhung der
am Steuerkolben wirkenden Öffnungskraft bemerkbar macht. Zur Betätigung des
Steuerkolbens sind hohe Druckkräfte erforderlich, die auch noch von der
Steuerkolbenstellung abhängig sind, was als nachteilig angesehen wird.
Aus der DE 196 12 738 A1 geht ein weiterer Kraftstoffinjektor als bekannt hervor, der sich
zur Betätigung der Düsennadel ebenfalls eines Steuerkolbens in Verbindung mit einem
Steuerventil bedient. Der Steuerkolben ist wie bei den vorgenannten Beispielen mit einer
druckbeaufschlagbaren ersten Stirnfläche verbunden, wobei die Druckbeaufschlagung
durch Öffnen und Schließen einer Ablaufdrossel mittels des Steuerventils erfolgt. An der
zweiten Stirnfläche des Steuerkolbens ist die Düsennadel über eine Feder abgestützt. Wird
die mit dem Kraftstoffdruck beaufschlagte Stirnfläche des Steuerkolbens druckentlastet,
so hebt der Steuerkolben unter der Kraft der Feder von einem Ventilsitz ab, wodurch ein
Durchgang für den Kraftstoff zur Düse freigegeben wird. Die Ventilsitzflächen am Kolben
werden von einem kegelförmigen Vorsprung auf dem Umfang des Kolbens gebildet. Die
zur Bildung eines Dichtsitzes erforderliche Durchmesservergrößerung des Steuerkolbens
führt jedoch nicht zu einem Druckkraftanstieg am Kolben, da an dem auf die Dichtkante
folgenden Durchmesser eine entsprechende Durchmesserverkleinerung vorgenommen ist,
so dass sich die an den gegenüberliegenden Flächen wirkenden Druckkräfte aufheben.
Insgesamt sind zur Betätigung des Steuerkolbens jedoch hohe Kräfte wirksam, was als
nachteilig angesehen wird.
In der DE 198 60 476 A1 ist ein Kraftstoffinjektor dargestellt, der sich ebenfalls eines
Steuerventils bedient, das zur Betätigung der Düsennadel eine Abflussdrossel steuert, die
mit einem auf der Düsennadelrückseite gelegenen Steuerraum verbunden ist.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein kraftausgeglichenes Steuerventil darzustellen, dessen
Steuerkolben beim Öffnen keine zusätzliche Kraft erfährt.
Diese Aufgabe wird durch einen Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1
gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors sind in den
Unteransprüchen gekennzeichnet.
Der erfindungsgemäße Kraftstoffinjektor ist zum Einspritzen von unter hohem Druck
vorgehaltenem Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine während eines
Einspritzvorgangs vorgesehen. Der Kraftstoffinjektor umfasst ein Injektorgehäuse, an
dessen vorderem Ende eine Einspritzdüse zum Einspritzen des Kraftstoffs in den
Brennraum der Brennkraftmaschine vorgesehen ist. Weiterhin ist in dem Injektorgehäuse
eine Düsennadel längsverschieblich gelagert, die zusammen mit einem Ventilsitz ein der
Einspritzdüse zugeordnetes Einspritzventil zum Öffnen und Schließen eines
Ventilöffnungsquerschnitts bildet. Ein Hochdruckkanal dient zur Zuführung von unter
hohem Druck stehendem einzuspritzenden Kraftstoff von einem Hochdruckanschluss zu
einem an dem Einspritzventil angeordneten Düsenvorraum. Ein Steuerventil ist zum
Freigeben des Einspritzvorgangs während Einspritzintervallen und zum Unterbrechen des
Einspritzvorgangs während Einspritzpausen vorgesehen. Das Steuerventil verfügt über
Mittel zum Unterbrechen der Zufuhr des unter hohem Druck vorgehaltenen Kraftstoffs zu
dem Einspritzventil und zur Druckentlastung des Einspritzventils zu einem
Druckentlastungsraum während der Einspritzpause. Das Einspritzventil ist somit von einem
ständigen Anstehen des unter hohem Druck vorgehaltenen Kraftstoffs druckentlastet,
wodurch dessen Verschleiß verringert und anfallende Leckagemengen vermindert werden.
Das Steuerventil des Kraftstoffinjektors enthält einen in einer Führungsbohrung zwischen
einer ersten Stellung und einer zweiten Stellung längsverschieblich gelagerten
Steuerkolben, der in der ersten Stellung den Hochdruckkanal zur Zuführung des unter
hohem Druck stehenden Kraftstoffs zu dem Einspritzventil freigibt und in der zweiten
Stellung den Hochdruckkanal gegen das Einspritzventil versperrt.
Der Steuerkolben des Steuerventils ist in der Strömungsverbindung des Hochdruckkanals
zwischen dem Hochdruckanschluss und dem Einspritzventil angeordnet und sperrt in der
zweiten Stellung den stromaufwärtigen Teil des Hochdruckkanals gegen den
stromabwärtigen Teil desselben ab und stellt eine druckentlastende Verbindung zu dem
Druckentlastungsraum her.
Der Steuerkolben des Steuerventils ist mit einer Ventildichtfläche versehen, die mit einem
im Injektorgehäuse ausgebildeten Ventilsitz zusammenwirkt, wobei der Ventilsitz des
Steuerkolbens in dem Hochdruckkanal stromaufwärts bezüglich der Ventildichtfläche
angeordnet ist, so dass der Steuerkolben durch den im stromaufwärtigen Teil des
Hochdruckkanals anstehenden Kraftstoffdruck in Öffnungsrichtung beaufschlagt wird.
Erfindungsgemäß ist der Kraftstoffinjektor so ausgebildet, dass der Steuerkolben des
Steuerventils eine von dem im stromaufwärtigen Teil des Hochdruckkanals anstehenden
Kraftstoffdruck in Schließrichtung des Steuerkolbens beaufschlagte Gegenfläche aufweist,
welche die Beaufschlagung des Steuerkolbens durch den an der Ventildichtfläche in
Öffnungsrichtung anstehenden Kraftstoffdruck zumindest teilweise ausgleicht. Im weiteren
ist es vorgesehen, dass der Steuerkolben eine in Axialrichtung verlaufende zylindrische
Bohrung aufweist, in welcher ein bezüglich des Injektorgehäuses ortsfest gelagerter
zylindrischer Ausgleichsstift verschiebbar eingepasst ist, wobei ein von der zylindrischen
Bohrung und von dem einspritzdüsenseitigen Ende des zylindrischen Ausgleichsstiftes
begrenztes Volumen gebildet wird, das über eine Strömungsverbindung mit dem zu dem
Einspritzventil führenden stromabwärtigen Teil des Hochdruckkanals in Verbindung steht.
Der besondere Vorteil hiervon ist es, dass beim Öffnen des Steuerventils keine zusätzliche
Kraft in Öffnungsrichtung an dem Steuerkolben erzeugt wird, so dass ein
Kräftegleichgewicht unabhängig vom anstehenden Druck des Kraftstoffs besteht. Denn
durch den Ausgleichsstift wird eine Kraft aufgenommen, die der in der Bohrung des
zweiten zylindrischen Bereichs anstehenden Druckkraft nahezu gleich ist.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Kraftstoffinjektors ist es vorgesehen, dass der Steuerkolben des Steuerventils zwei in
Längsrichtung des Kraftstoffinjektors voneinander beabstandete in der Führungsbohrung
geführte zylindrische Bereiche aufweist, von denen der erste zylindrische Bereich dem
einspritzdüsenseitigen Ende und der zweite zylindrische Bereich dem entgegengesetzten Ende
des Kraftstoffinjektors zugewandt ist, und die durch einen dritten Bereich des
Steuerkolbens voneinander getrennt sind, wobei der dritte Bereich des Steuerkolbens
einen gegenüber den ersten und zweiten zylindrischen Bereichen verringerten Querschnitt
aufweist und einerseits durch die Ventildichtfläche in den zweiten zylindrischen Bereich
und durch die Gegenfläche in den ersten zylindrischen Bereich übergeht, und wobei der
stromaufwärtige Teil des Hochdruckkanals an dem dritten Bereich zwischen den ersten
und zweiten zylindrischen Bereichen in die Führungsbohrung des Steuerkolbens mündet.
Die letztgenannte Ausführungsform ist vorzugsweise so ausgebildet, dass der erste
zylindrische Bereich des Steuerkolbens an seinem einspritzdüsenseitigen Ende und der
zweite zylindrische Bereich des Steuerkolbens an seinem entgegengesetzten Ende
jeweilige von unter Druck stehendem Kraftstoff beaufschlagte erste und zweite
Kolbenflächen zur Steuerung der Bewegung des Steuerkolbens zwischen der ersten und
der zweiten Stellung aufweisen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die zweite
Kolbenfläche eine größere wirksame Fläche als die erste Kolbenfläche aufweist.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen,
dass der Kraftstoffinjektor einen von unter hohem Druck stehendem Kraftstoff
beaufschlagten Steuerraum zur Steuerung des Einspritzvorgangs des Kraftstoffinjektors
aufweist, der mittels eines Schließkörpers des Steuerventils im Sinne einer Freigabe des
Einspritzvorgangs druckentlastbar ist, wobei der Steuerkolben des Steuerventils zur
Steuerung der Bewegung zwischen seiner ersten Stellung und seiner zweiten Stellung mit
dem Steuerraum gekoppelt ist.
Bei der letztgenannten Ausführungsform ist es vorteilhafterweise vorgesehen, dass der
Steuerraum an dem der Einspritzdüse entgegengesetzten Ende des Steuerkolbens als
Fortsetzung der Führungsbohrung ausgebildet und durch den Steuerkolben
einspritzdüsenseitig begrenzt ist, so dass eine Druckentlastung des Steuerraums eine
Verschiebung des Steuerkolbens aus seiner den Hochdruckkanal gegen das Einspritzventil
versperrenden zweiten Stellung in seine die Zuführung des unter hohem Druck stehenden
Kraftstoffs zu dem Einspritzventil freigebende erste Stellung bewirkt.
Hierbei ist vorzugsweise der Steuerraum einspritzdüsenseitig durch die den zweiten
zylindrischen Bereich begrenzende zweite Kolbenfläche begrenzt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist es vorgesehen, dass die an die erste und
zweite Kolbenfläche des Steuerkolbens angrenzenden Raumbereiche der
Führungsbohrung durch einen Verbindungskanal miteinander kommunizieren.
Gemäß einer besonders bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen
Kraftstoffinjektors ist es vorgesehen, dass der Steuerraum mit einem
Steuerdruckanschluss zur Zuführung von unter Druck stehendem Kraftstoff als Steuerfluid
getrennt von dem in den Brennraum der Brennkraftmaschine einzuspritzenden an dem
Hochdruckanschluss zugeführten Kraftstoff verbunden ist.
Nach einer zweckmäßigen Ausbildung ist vorgesehen, dass der zylindrische Ausgleichsstift
an seinem der Einspritzdüse entgegengesetzten Ende an einem Gegenlager, insbesondere
an einem quer in das Injektorgehäuse eingesetzten Lagerstift abgestützt ist.
Diese letztgenannte Ausführungsform ist vorzugsweise so weitergebildet, dass der zweite
zylindrische Bereich des Steuerkolbens an dem Lagerstift in zwei Teile getrennt ist, von
denen ein Teil eine Ausnehmung zur Aufnahme des quer eingesetzten Lagerstifts aufweist,
und von denen der der Einspritzdüse abgewandte Teil die zweite Steuerkolbenfläche
aufweist. Ein besonderer Vorteil hiervon ist es, dass durch die zweiteilige Ausbildung des
zweiten zylindrischen Bereichs des Steuerkolbens die Montierbarkeit des
Kraftstoffinjektors wesentlich erleichtert wird.
Gemäß einer anderen besonders vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Kraftstoffinjektors ist es vorgesehen, dass der Ventilsitz und die Ventildichtfläche des
Steuerkolbens als eine den im stromaufwärtigen Teil des Hochdruckkanals anstehenden
Kraftstoffdruck gegen den stromabwärtigen Teil des Hochdruckkanals druckreduzierende
Drosselstelle ausgebildet sind. Der besondere Vorteil hiervon ist es, dass die in Richtung
eines Schließens des Steuerkolbens wirkende Strömungskraft durch die gebildete
Drosselstelle klein gehalten wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausbildung der letztgenannten Ausführungsform ist es
vorgesehen, dass die Ventildichtfläche vom einspritzdüsenseitigen Ende her zunächst
einen unter einem ersten spitzen Winkel zur Steuerkolbenachse verlaufenden ersten Teil,
einen unter einem zweiten spitzen Winkel zur Steuerkolbenachse verlaufenden zweiten Teil
und einen unter einem dritten spitzen Winkel zur Steuerkolbenachse verlaufenden dritten
Teil aufweist, wobei der erste Winkel größer als der zweite Winkel ist und der zweite
Winkel größer als der dritte Winkel ist, wobei die Ventildichtfläche den Ventilsitz im
Übergang zwischen ihrem ersten Teil und ihrem zweiten Teil berührt. Hierdurch wird auf
eine genau definierte Weise die Drosselstelle zwischen Ventilsitz und Ventildichtfläche des
Steuerkolbens gebildet.
Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Kraftstoffinjektors anhand der Zeichnung erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Kraftstoffinjektor gemäß dem Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
Fig. 2 einen weiteren Längsschnitt durch den Kraftstoffinjektor des in Fig. 1
dargestellten Ausführungsbeispiels der Erfindung, wobei dieser Längsschnitt um 90°
gegenüber dem vorherigen gedreht ist; und
Fig. 2a), 2b), und 2c) jeweilige vergrößerte Ausschnitte aus Fig. 2 zur Hervorhebung
und besseren Darstellung an Einzelheiten des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors.
In Fig. 1 ist ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 100 bezeichneter Kraftstoffinjektor
dargestellt, der ein Injektorgehäuse 101 umfasst, in welchem eine Düsennadel 103 mit
ihrem Düsennadelschaft 104 in einer in dem Injektorgehäuse 101 ausgebildeten
Führungsbohrung 102 längsverschieblich gelagert ist. Die Düsennadel 103 hat eine
Düsennadelspitze 105, die mit einem im vorderen Ende des Injektorgehäuses 101
ausgebildeten Ventil sitzt 106 im Sinne eines Öffnens und Schließens eines
Ventilöffnungsquerschnitts zusammenwirkt, der zwischen der Nadelspitze 105 und dem
Ventilsitz 106 vorgesehen ist und die zusammen ein Einspritzventil 140 bilden. Bei
geöffnetem Einspritzventil 140 wird über einen Hochdruckkanal 107 unter hohem Druck
zugeführter Kraftstoff durch eine Einspritzdüse 180 in den Brennraum der
Brennkraftmaschine eingespritzt. Dem genannten Hochdruckkanal 107 wird der
einzuspritzende Kraftstoff über einen Druckanschluss 129 aus einem ölelastischen
Druckspeicher (Common Rail) zugeführt, in welchen er mittels einer Hochdruckpumpe aus
einem Kraftstoffvorrat gefördert und dort unter hohem Druck vorgehalten wird (in der Figur
nicht gezeigt).
Am düsenseitigen Ende der Führungsbohrung 102 ist dem Düsennadelschaft 104 ein
Düsenvorraum 108 vorgelagert, welchem der in dem Hochdruckkanal 107 befindliche
Kraftstoff unter hohem Druck zugeführt wird.
An dem der Einspritzdüse 180 entgegengesetzten Ende des Kraftstoffinjektors 100 ist ein
insgesamt mit dem Bezugszeichen 110 versehenes Steuerventil vorgesehen, welches im
wesentlichen einen Ventilkörper 112 und einen Schließkörper 113 sowie einen in einer
Führungsbohrung 154 geführten Steuerkolben 150 umfasst. Der Schließkörper 113 des
Steuerventils 110 ist mit einem Solenoid 126 funktionsmäßig gekoppelt, durch welches
der Einspritzvorgang des Kraftstoffinjektors gesteuert wird. Zwischen dem Ventilkörper
112 des Steuerventils 110 und dem der Einspritzdüse 180 entgegengesetzten Ende des
Steuerkolbens 150 ist ein Steuerraum 109 angeordnet, welcher über einen
Steuerdruckkanal 137 mit einem Steuerdruckanschluss 135 gekoppelt ist und bei Öffnen
des Steuerventils 110, d. h. bei Lösen des Schließkörpers 113 vom Ventilkörper 112 des
Steuerventils 110 durch Erregung des Solenoids 126 druckentlastbar ist.
Der Hochdruckkanal 107 zur Zuführung des einzuspritzenden Kraftstoffs enthält einen
stromaufwärtigen Teil 107a und einen stromabwärtigen Teil 107b, von denen ersterer mit
dem Druckanschluss 129 verbunden ist und der letztere zu der dem Einspritzventil 140
vorgelagerten Düsenvorraum 108 führt. Zwischen dem stromaufwärtigen Teil 107a des
Hochdruckkanals 107 und dem stromabwärtigen Teil 107b desselben ist der Steuerkolben
150 angeordnet, welcher allgemein Mittel zum Freigeben der Zufuhr des unter hohem
Druck vorgehaltenen Kraftstoffs über den Hochdruckkanal 107 zu dem Düsenvorraum 108
und damit zu dem Einspritzventil 140 und zum Unterbrechen der Zufuhr des Kraftstoffs zu
dem Einspritzventil 140 und zur Druckentlastung desselben während der Einspritzpausen
bildet. Dazu ist der Steuerkolben 150 in der Führungsbohrung 154 zwischen einer ersten
Stellung und einer zweiten Stellung längsverschieblich gelagert, zwischen welchen
Stellungen er durch Druckbeaufschlagung bzw. Druckentlastung des Steuerraums 109
verschiebbar ist. In der ersten Stellung gibt der Steuerkolben 150 den Hochdruckkanal
107 zur Zuführung des über den Hochdruckanschluss 129 zugeführten Kraftstoffs zu dem
Einspritzventil 140 frei, während er in der zweiten Stellung den Hochdruckkanal 107, das
heißt den stromaufwärtigen Teil 107a desselben gegen dessen stromabwärtigen Teil 107b
und damit gegen das Einspritzventil 140 versperrt. Im einzelnen umfasst der Steuerkolben
150 eine Ventildichtfläche 157, die mit einem in dem Injektorgehäuse 101 ausgebildeten
Ventilsitz 156 zusammenwirkt, wobei der Ventilsitz 156 in der Strömungsverbindung des
Hochdruckkanals 107 stromaufwärts bezüglich der Ventildichtfläche 157 angeordnet ist,
so dass der Steuerkolben 150 durch den im stromaufwärtigen Teil 107a des
Hochdruckkanals 107 anstehenden Kraftstoffdruck in Öffnungsrichtung beaufschlagt wird.
Weiterhin umfasst der Steuerkolben 150 zwei in Längsrichtung des Kraftstoffinjektors
voneinander beabstandete erste und zweite zylindrische Bereiche 150a, 150b, die in der
Führungsbohrung 154 in entsprechenden ersten und zweiten Führungsbohrungsbereichen
154a bzw. 154b geführt sind, von denen der erste zylindrische Bereich 150a dem
einspritzdüsenseitigen Ende und der zweite zylindrische Bereich 150b dem
entgegengesetzten Ende des Kraftstoffinjektors zugewandt ist, und die durch einen dritten
Bereich 150c des Steuerkolbens 150 voneinander getrennt sind.
Wie insbesondere aus Fig. 2a) näher ersichtlich ist, weist der dritte Bereich 150c des
Steuerkolbens 150 einen gegenüber den ersten und zweiten zylindrischen Bereichen 150a,
150b verringerten Querschnitt auf und geht an seinem der Einspritzdüse 180 abgewandten
Ende durch die Ventildichtfläche 157 in den zweiten zylindrischen Bereich 150b über. An
seinem einspritzdüsenseitigen Ende geht der dritte Bereich 150c des Steuerkolbens 150
über eine Gegenfläche 159 in den ersten zylindrischen Bereich 150a über, welche durch
den in dem stromaufwärtigen Teil 107a des Hochdruckkanals 107 anstehenden
Kraftstoffdruck in Schließrichtung des Steuerkolbens 150 beaufschlagbar ist, um die
Beaufschlagung des Steuerkolbens 150 durch den an der Ventildichtfläche 157 in
Öffnungsrichtung anstehenden Kraftstoffdruck zumindest teilweise auszugleichen. Wie aus
Fig. 1 ersichtlich ist, mündet der stromaufwärtige Teil 107a des Hochdruckkanals 107 an
dem dritten Bereich 150c des Steuerkolbens 150 zwischen dessen ersten und zweiten
zylindrischen Bereichen 150a, 150b in der Führungsbohrung 154.
Wenn sich der Steuerkolben 150 durch Druckbeaufschlagung des Steuerraums 109 in
seiner zweiten, den Hochdruckkanal 107 gegen das Einspritzventil 140 versperrenden
Stellung, also die Ventildichtfläche 157 in Anlage an dem Ventilsitz 156 befindet, bildet der
in der Führungsbohrung 154 geführte zweite zylindrische Bereich 150b eine
Leckageverbindung zu einem Druckentlastungsraum 132, so dass eine druckentlastende
Verbindung des stromabwärtigen Teils 107b des Hochdruckkanals 107 zu dem
Druckentlastungsraum 132 gegeben ist.
Der erste zylindrische Bereich 150a des Steuerkolbens 150 bildet an seinem
einspritzdüsenseitigen Ende eine erste Kolbenfläche 152a und der zweite zylindrische
Bereich 150b des Steuerkolbens 150 bildet an seinem der Einspritzdüse 180
entgegengesetzten Ende eine zweite Kolbenfläche 152b, welche zur Steuerung der
Bewegung des Steuerkolbens 150 zwischen der ersten und der zweiten Stellung dienen,
wobei die zweite Kolbenfläche 152b eine größere wirksame Fläche aufweist als die erste
Kolbenfläche 152a. Der Steuerraum 109, der als Fortsetzung der Führungsbohrung 154
des Steuerkolbens 150 bzw. des zweiten Führungsbohrungsbereichs 154b an dessen der
Einspritzdüse 180 entgegengesetzten Ende ausgebildet ist, ist durch die an dem zweiten
zylindrischen Bereich 150b des Steuerkolbens 150 vorgesehene zweite Kolbenfläche 152b
einspritzdüsenseitig begrenzt. Daher führt eine Druckentlastung des Steuerraums 109 zu
einer Verschiebung des Steuerkolbens 150 aus seiner den stromaufwärtigen Teil 107a des
Hochdruckkanals 107 gegen dessen stromabwärtigen Teil 107b und damit gegen das
Einspritzventil 140 versperrenden zweiten Stellung in die erste Stellung, welche die
Zuführung des Kraftstoffs zu dem Einspritzventil 140 über den Hochdruckkanal 107
freigibt.
Die an die erste und zweite Kolbenfläche 152a, 152b des Steuerkolbens 150
angrenzenden Raumbereiche der Führungsbohrung 154 sind durch einen
Verbindungskanal 160 in kommunizierender Weise miteinander verbunden. Die Bewegung
des Steuerkolbens 150 erfolgt aufgrund eines Flächenverhältnisses der beiden
Kolbenflächen 152a, 152b, wobei die zweite Kolbenfläche 152b eine größere wirksame
Fläche als die erste Kolbenfläche 152a aufweist.
Wie in Fig. 1 ersichtlich ist, wird dem Steuerraum 109 über den Ventilkörper 112 des
Steuerventils 110 über den Steuerdruckkanal 137 von dem Steuerdruckanschluss 135
unter Druck stehender Kraftstoff als Steuerfluid zugeführt, welcher von dem in den
Brennraum der Brennkraftmaschine einzuspritzenden Kraftstoff, der von dem
Hochdruckanschluss 129 in den Hochdruckkanal 107 eingespeist wird, getrennt ist.
Alternativ könnte der an dem Druckanschluss 129 zugeführte einzuspritzende Kraftstoff
selbst als Steuerfluid verwendet werden.
Wie aus dem vergrößerten Ausschnitt in Fig. 2a) ersichtlich ist, ist in dem zweiten
zylindrischen Bereich 150b des Steuerkolbens 150 eine in Axialrichtung verlaufende
zylindrische Bohrung 162 vorgesehen, in welcher ein bezüglich des Injektorgehäuses 101
ortsfest gelagerter zylindrischer Ausgleichsstift 164 verschiebbar eingepasst ist. Von der
zylindrischen Bohrung 162 und dem einspritzdüsenseitigen Ende des zylindrischen
Ausgleichsstiftes 164 wird ein Volumen begrenzt, welches über eine Strömungsverbindung
168 mit dem zu dem Einspritzventil 140 führenden stromabwärtigen Teil 107b des
Hochdruckkanals 107 in Verbindung steht. Hierdurch wird innerhalb des genannten
begrenzten Volumens ein Kräftegleichgewicht hergestellt, durch das der Steuerkolben 150
von fehlerhaften Öffnungs- oder Schließkräften freigehalten wird. Wie Fig. 1 und Fig. 2a)
näher zeigen, ist der zylindrische Ausgleichsstift 154 an seinem der Einspritzdüse 180
abgewandten Ende an einem Lagerstift 166 abgestützt, der quer in das Injektorgehäuse
101 eingesetzt ist.
Wie Fig. 2a) ebenfalls näher zeigt, ist der zweite zylindrische Bereich 150b des
Steuerkolbens 150 an dem Lagerstift 166 in zwei Teile 150b1, 150b2 getrennt, von denen
der eine Teil 150b2 eine Ausnehmung 153 zur Aufnahme des quer eingesetzten Lagerstifts
166 aufweist, und von denen der der Einspritzdüse 180 abgewandte Teil 150b2 die zweite
Steuerkolbenfläche 152b aufweist, welche die einspritzdüsenseitige Begrenzung des
Steuerraums 109 bildet.
Wie Fig. 2c) in vergrößerter Darstellung zeigt, ist bei dem hier gewählten
Ausführungsbeispiel die Ventildichtfläche 157 in mehrere Abschnitte gegliedert, von denen
vom einspritzdüsenseitigen Ende her zunächst ein unter einem ersten spitzen Winkel α1
zur Steuerkolbenachse verlaufender erster Teil 157a vorgesehen ist, auf welchen ein unter
einem zweiten spitzen Winkel α2 zu der Steuerkolbenachse verlaufender zweiter Teil 157b
und auf diesen wiederum ein unter einem dritten spitzen Winkel α3 zur Steuerkolbenachse
verlaufender dritter Teil 157c folgen, wobei der erste Winkel α1 größer als der zweite
Winkel α2 ist und der zweite Winkel α2 größer als der dritte Winkel α3 ist. Die
Ventildichtfläche 157 berührt den Ventilsitz 156 im Übergang zwischen ihrem ersten Teil
157a und ihrem zweiten Teil 157b. Alternativ können jedoch auch andere Arten von
Ausbildungen für die Drosselstelle zwischen der Ventildichtfläche 157 und ihrem Ventilsitz
156 gewählt werden.
100
Kraftstoffinjektor
101
Injektorgehäuse
102
Führungsbohrung
103
Düsennadel
104
Düsennadelschaft
105
Düsennadelspitze
106
Ventilsitz
107
Hochdruckkanal
107
a stromaufwärtiger Teil des Hochdruckkanals
107
b stromabwärtiger Teil des Hochdruckkanals
108
Düsenvorraum
109
Steuerraum
110
Steuerventil
111
Steuerraumbohrung
112
Ventilkörper des Steuerventils
113
Schließkörper des Steuerventils
126
Solenoid
129
Druckanschluss
132
Leckagekanal; Druckentlastungsraum
135
Steuerdruckanschluss
137
Steuerdruckkanal
140
Einspritzventil
150
Steuerkolben
150
a erster Bereich des Steuerkolbens
150
b;
150
b1;
150
b2 zweiter Bereich des Steuerkolbens
150
c dritter Bereich des Steuerkolbens
152
a erste Kolbenfläche
152
b zweite Kolbenfläche
153
Ausnehmung
154
Führungsbohrung
154
a erster Bereich der Führungsbohrung
154
b zweiter Bereich der Führungsbohrung
156
Ventilsitz
157; 157a, b, c Ventildichtfläche
157; 157a, b, c Ventildichtfläche
159
Gegenfläche
160
Verbindungskanal
162
zylindrische Bohrung
164
Ausgleichsstift
166
Lagerstift
168
Strömungsverbindung
180
Einspritzdüse
Claims (13)
1. Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von unter hohem Druck vorgehaltenem Kraftstoff
in den Brennraum einer Brennkraftmaschine während eines Einspritzvorgangs, mit einem
Injektorgehäuse (101), einer am vorderen Ende des Injektorgehäuses (101) angeordneten
Einspritzdüse (180) zum Einspritzen des Kraftstoffs in den Brennraum der
Brennkraftmaschine, einer Düsennadel (103), die in dem Injektorgehäuse (101)
längsverschieblich gelagert ist und zusammen mit einem im vorderen Ende des
Injektorgehäuses (101) ausgebildeten Ventilsitz (106) ein der Einspritzdüse (180)
zugeordnetes Einspritzventil (140) zum Öffnen und Schließen eines
Ventilöffnungsquerschnitts bildet, einem Hochdruckkanal (107) zur Zuführung von unter
hohem Druck stehendem einzuspritzenden Kraftstoff von einem Hochdruckanschluss
(129) zu einem an dem Einspritzventil (140) angeordneten Düsenvorraum (108) und einem
Steuerventil (110) zum Freigeben des Einspritzvorgangs während Einspritzintervallen und
zum Unterbrechen des Einspritzvorgangs während Einspritzpausen, wobei das Steuerventil
(110) Mittel zum Unterbrechen der Zufuhr des unter hohem Druck vorgehaltenen
Kraftstoffs zum Einspritzventil (140) und zur Druckentlastung des Einspritzventils (140) zu
einem Druckentlastungsraum (132) während der Einspritzpausen aufweist, wobei das
Steuerventil (110) einen in einer Führungsbohrung (154) zwischen einer ersten Stellung
und einer zweiten Stellung längsverschieblich gelagerten Steuerkolben (150) enthält, der
in der ersten Stellung den Hochdruckkanal (107) zur Zuführung des unter hohem Druck
stehenden Kraftstoffs zu dem Einspritzventil (140) freigibt und in der zweiten Stellung den
Hochdruckkanal (107) gegen das Einspritzventil (140) versperrt, wobei der Steuerkolben
(150) des Steuerventils (110) in der Strömungsverbindung des Hochdruckkanals (107)
zwischen dem Hochdruckanschluss (129) und dem Einspritzventil (140) angeordnet ist und
in der zweiten Stellung den stromaufwärtigen Teil (107a) des Hochdruckkanals (107)
gegen den stromabwärtigen Teil (107b) desselben absperrt, wobei der Steuerkolben (150)
des Steuerventils (110) eine mit einem im Injektorgehäuse (101) ausgebildeten Ventilsitz
(156) zusammenwirkende Ventildichtfläche (157) aufweist, wobei der Ventilsitz (156) des
Steuerkolbens (150) in dem Hochdruckkanal (107) stromaufwärts bezüglich der
Ventildichtfläche (157) angeordnet ist, so dass der Steuerkolben (150) durch den im
stromaufwärtigen Teil (107a) des Hochdruckkanals (107) anstehenden Kraftstoffdruck in
Öffnungsrichtung beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerkolben
(150) des Steuerventils (110) eine von dem im stromaufwärtigen Teil (107a) des
Hochdruckkanals (107) anstehenden Kraftstoffdruck in Schließrichtung des Steuerkolben
(150) beaufschlagte Gegenfläche (159) aufweist, welche die Beaufschlagung des
Steuerkolbens (150) durch den an der Ventildichtfläche (157) in Öffnungsrichtung
anstehenden Kraftstoffdruck zumindest teilweise ausgleicht, und dass der Steuerkolben
(150) eine in Axialrichtung verlaufende zylindrische Bohrung (162) aufweist, in welcher ein
bezüglich des Injektorgehäuses (101) ortsfest gelagerter zylindrischer Ausgleichsstift (164)
verschiebbar eingepasst ist, wobei ein von der zylindrischen Bohrung (162) und von dem
einspritzdüsenseitigen Ende des zylindrischen Ausgleichsstifts (164) begrenztes Volumen
gebildet wird, das über eine Strömungsverbindung (168) mit dem zu dem Einspritzventil
(140) führenden stromabwärtigen Teil (107b) des Hochdruckkanals (107) in Verbindung
steht.
2. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der
Steuerkolben (150) des Steuerventils (110) zwei in Längsrichtung des Kraftstoffinjektors
voneinander beabstandete in der Führungsbohrung (154) geführte zylindrische Bereiche
(150a, 150b) aufweist, von denen der erste zylindrische Bereich (150a) dem
einspritzdüsenseitigen Ende und der zweite zylindrische Bereich (150b) dem
entgegengesetzten Ende des Kraftstoffinjektors zugewandt ist, und die durch einen dritten
Bereich (150c) des Steuerkolbens (150) voneinander getrennt sind, wobei der dritte
Bereich (150c) des Steuerkolbens (150) einen gegenüber dem ersten und dem zweiten
zylindrischen Bereich (150a, 150b) verringerten Querschnitt aufweist und einerseits
durch die Ventildichtfläche (157) in den zweiten zylindrischen Bereich (150b) und durch
die Gegenfläche (159) in den ersten zylindrischen Bereich (150a) übergeht, und wobei der
stromaufwärtige Teil (107a) des Hochdruckkanals (107) an dem dritten Bereich (150c)
zwischen dem ersten und dem zweiten zylindrischen Bereich (150a, 150b) in die
Führungsbohrung (154) des Steuerkolbens (150) mündet.
3. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste
zylindrische Bereich (150a) des Steuerkolbens (150) an seinem einspritzdüsenseitigen
Ende und der zweite zylindrische Bereich (150b) des Steuerkolbens (150) an seinem
entgegengesetzten Ende jeweilige von unter Druck stehendem Kraftstoff beaufschlagte
erste und zweite Kolbenflächen (152a bzw. 152b) zur Steuerung der Bewegung des
Steuerkolbens (150) zwischen der ersten und der zweiten Stellung aufweisen.
4. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite
Kolbenfläche (152b) eine größere wirksame Fläche als die erste Kolbenfläche (152a)
aufweist.
5. Kraftstoffinjektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass
der Kraftstoffinjektor (100) einen von unter hohem Druck stehendem Kraftstoff
beaufschlagten Steuerraum (109) zur Steuerung des Einspritzvorgangs des
Einspritzinjektors aufweist, der mittels eines Schließkörpers (113) des Steuerventils (110)
im Sinne einer Freigabe des Einspritzvorgangs druckentlastbar ist, wobei der Steuerkolben
(150) des Steuerventils (110) zur Steuerung der Bewegung zwischen seiner ersten Stellung
und seiner zweiten Stellung mit dem Steuerraum (109) gekoppelt ist.
6. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 5 in Verbindung mit einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerraum (109) an dem der Einspritzdüse (180)
entgegengesetzten Ende des Steuerkolbens (150) als Fortsetzung der Führungsbohrung
(154) ausgebildet und durch den Steuerkolben (150) einspritzdüsenseitig begrenzt ist, so
dass eine Druckentlastung des Steuerraums (109) eine Verschiebung des Steuerkolbens
(150) aus seiner den Hochdruckkanal (107) gegen das Einspritzventil (140) versperrenden
zweiten Stellung in seine die Zuführung des unter hohem Druck stehenden Kraftstoffs zu
dem Einspritzventil (140) freigebende erste Stellung bewirkt.
7. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 6 in Verbindung mit Anspruch 7 oder 8, dadurch
gekennzeichnet, dass der Steuerraum (109) einspritzdüsenseitig durch die den zweiten
zylindrischen Bereich (150b) begrenzende zweite Kolbenfläche (152b) begrenzt ist.
8. Kraftstoffinjektor nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass
die an die erste und zweite Kolbenfläche (152a, 152b) des Steuerkolbens (150)
angrenzenden Raumbereiche der Führungsbohrung (154) durch einen Verbindungskanal
(160) miteinander kommunizieren.
9. Kraftstoffinjektor nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass
der Steuerraum (109) mit einem Steuerdruckanschluss (135) zur Zuführung von unter
hohem Druck stehendem Kraftstoff als Steuerfluid getrennt von dem in den Brennraum der
Brennkraftmaschine einzuspritzenden an dem Hochdruckanschluss (129) zugeführten
Kraftstoff verbunden ist.
10. Kraftstoffinjektor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass
der zylindrische Ausgleichsstift (164) an seinem der Einspritzdüse (180)
entgegengesetzten Ende an einem Gegenlager, insbesondere an einem quer in das
Injektorgehäuse (101) eingesetzten Lagerstift (166) abgestützt ist.
11. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite
zylindrische Bereich (150b) des Steuerkolbens (150) an dem zylindrischen Ausgleichsstift
(164) in zwei Teile (150b1, 150b2) getrennt ist, von denen ein Teil (150b2) eine
Ausnehmung (153) zur Aufnahme des quer eingesetzten zylindrischen Ausgleichsstifts
(164) aufweist, und von denen der der Einspritzdüse (180) abgewandte Teil (150b2) die
zweite Steuerkolbenfläche (152b) aufweist.
12. Kraftstoffinjektor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet,
dass der Ventilsitz (156) und die Ventildichtfläche (157) des Steuerkolbens (150) als eine
den im stromaufwärtigen Teil (107a) des Hochdruckkanals (107) anstehenden
Kraftstoffdruck gegen den stromabwärtigen Teil (107b) des Hochdruckkanals (107)
druckreduzierende Drosselstelle ausgebildet ist.
13. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die
Ventildichtfläche (157) vom einspritzdüsenseitigen Ende her zunächst einen unter einem
ersten spitzen Winkel (α1) zur Steuerkolbenachse verlaufenden ersten Teil (157a), einen
unter einem zweiten spitzen Winkel (α2) zu der Steuerkolbenachse verlaufenden zweiten
Teil (157b) und einen unter einem dritten spitzen Winkel (α3) zur Steuerkolbenachse
verlaufenden dritten Teil (157c) aufweist, wobei der erste Winkel (α1) größer als der zweite
Winkel (α2) ist und der zweite Winkel (α2) größer als der dritte Winkel (α3) ist, wobei die
Ventildichtfläche (157) den Ventilsitz (156) im Übergang zwischen ihrem ersten Teil (157a)
und ihrem zweiten Teil (157b) berührt.
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DE2000135724 DE10035724C2 (de) | 2000-07-22 | 2000-07-22 | Kraftstoffinjektor für eine Brennkraftmaschine |
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